Transmissão de áudio digital a laser simples e barata: 4 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Desde que fiz a arma laser, venho pensando em modular o laser para enviar áudio, seja por diversão (um interfone infantil), ou talvez para transmitir dados para uma arma laser mais sofisticada, permitindo que um receptor descubra por quem ele foi atingido. Neste instrutível, vou me concentrar na transmissão de áudio.

Muitas pessoas criaram sistemas de transmissão modulados analógicos adicionando o sinal de áudio analógico à fonte de alimentação do diodo laser. Isso funciona, mas tem algumas desvantagens sérias, principalmente a incapacidade de amplificar o sinal na extremidade receptora sem introduzir muito ruído. Além disso, a linearidade é muito pobre.

Eu queria modular o laser digitalmente usando um sistema de modulação por largura de pulso (PWM). Os diodos de laser baratos usados no projeto da arma de laser podem ser modulados ainda mais rápido do que um LED normal, chegando a milhões de pulsos por segundo, então isso deve ser bastante factível.

Etapa 1: Prova de Princípio (o Transmissor)

É inteiramente possível construir um transmissor decente usando um triângulo ou gerador de dente de serra e comparando sua saída com a entrada do sinal com um amplificador operacional. No entanto, é muito difícil obter uma boa linearidade e o número de componentes sai do controle muito rápido, e a faixa dinâmica utilizável é frequentemente limitada. Além disso, decidi que era permitido ser preguiçoso.

Um pouco de pensamento lateral me apontou para um amplificador de áudio classe D ultra barato chamado PAM8403. Eu o usei antes como um amplificador de áudio real no projeto de arma laser. Ele faz exatamente o que queremos, modulando a largura de pulso da entrada de áudio. Placas pequenas com os componentes externos necessários podem ser adquiridas no eBay por menos de 1 euro.

O chip PAM8404 é um amplificador estéreo com uma saída H-bridge completa, o que significa que ele pode direcionar os dois fios do alto-falante para o trilho Vcc (plus) ou para o aterramento, quadruplicando efetivamente a potência de saída em comparação com apenas conduzir um fio. Para este projeto, podemos simplesmente usar um dos dois fios de saída, de apenas um canal. Quando em silêncio total, a saída será direcionada para uma onda quadrada de aproximadamente 230 kHz. A modulação pelo sinal de áudio altera a largura de pulso da saída.

Os diodos laser são extremamente sensíveis à sobrecorrente. Mesmo um pulso de 1 microssegundo pode destruí-lo completamente. O circuito mostrado impede exatamente isso. Ele acionará o laser com 30 miliamperes independente do VCC. No entanto, se houver a menor desconexão dos diodos, normalmente reduzindo a voltagem básica do transistor para 1,2 volt, o diodo laser é imediatamente destruído. Eu explodi dois módulos de laser como este. Eu recomendo não construir o driver do laser em uma placa de ensaio, mas soldá-lo em um pequeno pedaço de PCB ou de forma livre em um pedaço de tubo retrátil na parte de trás do módulo de laser.

De volta ao transmissor. Conecte a saída do PAM8403 à entrada do circuito do driver do laser e o transmissor está pronto! Quando acionado, o laser está visualmente ligado e nenhuma modulação pode ser detectada opticamente. Isso realmente faz sentido, pois o sinal oscila em torno de um estado ligado / desligado de 50/50 por cento em uma frequência portadora de 230 kHz. Qualquer modulação visível não seria o volume do sinal, mas o valor real do sinal. Apenas em frequências muito, muito baixas, a modulação será perceptível.

Etapa 2: Prova de Princípio (o receptor, versão da célula solar)

Eu investiguei muitos princípios para o receptor, como foto diodos PIN com polarização negativa, versões não tendenciosas, etc. Esquemas diferentes tinham diferentes vantagens e desvantagens, como velocidade versus sensibilidade, mas acima de tudo, as coisas eram complexas.

Agora eu tinha uma lâmpada IKEA Solvinden movida a energia solar no jardim que foi destruída pela entrada da chuva, então eu recuperei as duas pequenas células solares (4 x 5 cm) e tentei quanto sinal seria produzido simplesmente apontando o diodo laser vermelho modulado em um deles. Este acabou sendo um receptor surpreendentemente bom. Modestamente sensível e com boa faixa dinâmica, como em, ele funciona até mesmo com iluminação bastante brilhante da luz solar dispersa.

Claro que você pode pesquisar no eBay, por exemplo, por pequenas células solares como esta. Eles devem ser vendidos por menos de 2 euros.

Eu conectei outra placa receptora classe D PAM8403 a ela (que também eliminou o componente DC) e conectei um alto-falante simples conectado a ela. O resultado foi impressionante. O som estava razoavelmente alto e sem distorção.

A desvantagem de usar uma célula solar é que elas são extremamente lentas. A portadora digital é completamente eliminada e é a frequência real de áudio demodulada que está chegando como sinal. A vantagem é que nenhum demodulador é necessário: basta conectar o amplificador e o alto-falante e pronto. A desvantagem é que, uma vez que a portadora digital não está presente e, portanto, não pode ser restaurada, o desempenho do receptor é completamente dependente da intensidade da luz e o áudio será distorcido por todas as fontes de luz dispersas moduladas na faixa de frequência de áudio, como lâmpadas, televisores e telas de computador.

Etapa 3: Teste

Peguei o transmissor e o receptor à noite para ver facilmente o feixe e ter a sensibilidade máxima da célula solar, e o sucesso foi imediato. O sinal foi facilmente captado 200 metros abaixo da faixa, onde a largura do feixe não era superior a 20 cm. Nada mal para um módulo de laser de 60 centavos com uma lente colimadora de não precisão, uma célula solar eliminada e dois módulos amplificadores.

Isenção de responsabilidade secundária: Eu não fiz esta foto, apenas tirei de um site de pesquisa bem conhecido. Como havia um pouco de umidade no ar naquela noite, o feixe realmente se parecia com isso quando olhava para trás em direção ao laser. Muito legal, mas isso não vem ao caso.

Etapa 4: depois de reflexões: construindo um receptor digital

Construindo um receptor digital, versão de diodo PIN

Como disse, sem regenerar o sinal PMW de alta frequência, os sinais perdidos são muito audíveis. Além disso, sem o sinal PMW regenerado para uma amplitude fixa, o volume e, portanto, a relação sinal-ruído do receptor é totalmente dependente de quanta luz laser é capturada pelo receptor. Se o próprio sinal PMW estiver suficientemente disponível na saída do sensor de luz, deve ser muito fácil filtrar esses sinais de luz dispersos, pois basicamente tudo sob a frequência de modulação deve ser considerado perdido. Depois disso, simplesmente amplificar o sinal restante deve produzir um sinal PWM regenerado de amplitude fixa.

Se você ainda não construiu um receptor digital, pode ser muito viável usar um diodo PIN BWP34 como detector. Seria necessário decidir por um sistema de lentes para aumentar a área de captura, já que a BWP34 tem uma abertura muito pequena, cerca de 4x4mm. Em seguida, faça um detector sensível, adicione um filtro passa-alta, defina para cerca de 200 kHz. Após a filtragem, o sinal deve ser amplificado, cortado para restaurar o sinal original o melhor possível. Se tudo isso funcionasse, basicamente restauramos o sinal conforme era produzido pelo chip PAM e poderia ser alimentado diretamente em um pequeno alto-falante.

Talvez para um encontro posterior!

Abordagem diferente, do profissional!

Existem pessoas fazendo transmissões de luz em distâncias muito maiores (várias dezenas de quilômetros) do que as apresentadas aqui. Eles não usam lasers porque a luz monocromática na verdade se desvanece mais rápido ao longo da distância em um não-vácuo do que a luz multicromática. Eles usam clusters de LED, lentes de fresnel enormes e, claro, viajam grandes distâncias para encontrar ar limpo e longas linhas de visão, leia-se: montanhas. E seus receptores são de design muito especial. Coisas divertidas que podem ser encontradas na internet.